專利名稱：用于脫水藻類并從其中再循環(huán)水的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及提取和分餾藻類產(chǎn)物，包括但不限于油和蛋白。更具體地，本文所述的系統(tǒng)和方法以略微非極性的溶劑利用分步提取和分餾來加工濕藻類生物質。
背景技術：
石油是主要包括烴類的天然來源。從地球提取石油是昂貴、危險的，經(jīng)常以環(huán)境為代價。而且，世界范圍的油儲備正在快速減少。由于運輸和轉化石油為可用燃料諸如汽油和噴氣燃料所需的加工，成本還增加了。藻類近年來由于其產(chǎn)生脂質的能力而獲得了明顯的重要性，可用于產(chǎn)生可持續(xù)的生物燃料?？梢岳眠@一能力來產(chǎn)生可再生燃料，減少全球氣候變化，和處理廢水。藻類作為生物燃料原料的優(yōu)勢來自于多種因素，包括與典型陸生油料作物植物相比高的每英畝生產(chǎn)率、基于非食物的原料來源、使用本來非生產(chǎn)性、不可耕作的土地、使用寬范圍的水源(淡水、半咸水、鹽水和廢水)、產(chǎn)生生物燃料和有價值的副產(chǎn)物諸如類胡蘿卜素和葉綠素二者。在過去幾十年已經(jīng)篩選和研究了數(shù)千種藻類物種的脂質產(chǎn)量。其中，已經(jīng)鑒定了富集脂質產(chǎn)量的約300種物種。脂質的組成和含量在生命周期的不同階段變化，并受環(huán)境和培養(yǎng)條件影響。由于藻類細胞壁的生化組成和物理性質的顯著差異性，用于提取的策略和方法取決于采用的單獨藻類物種/株系是相當不同的。由于細胞壁的厚度和藻類細胞的小尺寸(約2至約20nm)，傳統(tǒng)物理提取工藝諸如擠壓，對藻類不能很好地起作用。而且與從種子回收的典型油類相比，藻油中的大量極性脂質帶來精煉問題。收獲后，培養(yǎng)物中典型的藻類濃度從約0. 1-1. 0%(w/v)變化。這意味著，在試圖提取油之前，必須去除每單位重量藻類多達1000倍的水量。目前，現(xiàn)有的含油材料油提取方法嚴格地要求幾乎完全干燥的進料以改進所提取的油的產(chǎn)率和品質。由于加熱藻類團塊使其充分干燥所需能量的量，使得向生物燃料工藝進料藻類是不經(jīng)濟的。通常，在高溫擠壓或壓碎進料以強化提取。由于藻類的單細胞測微性質，這些步驟以現(xiàn)有的設備可能不起作用。而且，藻油由于存在雙鍵長鏈脂肪酸是非常不穩(wěn)定的。傳統(tǒng)提取方法中使用的高溫導致油降解，從而增加這類方法的成本。本領域已知通過使用己烷作為溶劑從干燥的藻類團塊提取油。這一工藝是能量密集型的。使用熱來干燥和使用己烷來提取產(chǎn)生較低品質的產(chǎn)物，因為這一類型的加工導致脂質和蛋白降解。
藻油提取可分為兩類破壞性方法和非破壞性方法。破壞性方法包括通過機械、熱、酶促或化學方法展平細胞。大多數(shù)破壞性方法產(chǎn)生乳液，需要昂貴的清除工藝。藻油包含大百分比的極性脂質和蛋白，這增強中性脂質的乳化。乳化被溶液中保留的營養(yǎng)素和鹽成分進一步穩(wěn)定化。乳液是復雜混合物，包含中性脂質、極性脂質、蛋白和其他藻類產(chǎn)物，需要深入精煉工藝來分離中性脂質，中性脂質是被轉化為生物燃料的進料。非破壞性方法提供低產(chǎn)量。乳化(Milking)是使用溶劑或化學品來從生長的藻類培養(yǎng)物提取脂質。雖然有時用來提取藻類產(chǎn)物，但是由于溶劑毒性和細胞壁破壞，乳化對于一些物種的藻類可能不起作用。這一困難使得難以開發(fā)通用的工藝。而且，由于介質中溶劑的最大可獲得濃度，所需溶劑的體積將是龐大的。多相提取將要求大量蒸餾，使用復雜的溶劑混合物，并使用于溶劑回收和再循環(huán)的機械成為必要。這使得這樣的提取對于用在藻油技術中不實用和不經(jīng)濟。
因此，為了克服這些缺點，本領域中存在對用于提取和分餾藻類產(chǎn)物，尤其是藻油、藻類蛋白和藻類類胡蘿卜素的改進方法和系統(tǒng)的需求。
發(fā)明概要本文所述的實施方案一般涉及用于從包括例如藻類生物質的含油材料提取具有不同極性的脂質的系統(tǒng)和方法。尤其是，本文所述的實施方案涉及使用不同極性的溶劑和/或一系列膜式濾器從藻類生物質提取不同極性的脂質。在一些實施方案中，該濾器是微濾器。在本發(fā)明的一些實施方案中，使用單種溶劑和水來萃取和分餾含油材料中存在的成分。在其他實施方案中，這些成分包括但不限于，蛋白、極性脂質和中性脂質。在又其他的實施方案中，使用多于一種溶劑。在又其他的實施方案中，使用溶劑的混合物。在一些實施方案中，本文所述的方法和系統(tǒng)可用于從含油材料提取脂質的副產(chǎn)物。這樣的副產(chǎn)物的實例包括但不限于，蛋白質材料、葉綠素和類胡蘿卜素。本發(fā)明的實施方案允許以允許產(chǎn)生燃料和營養(yǎng)產(chǎn)物二者的方式從藻類生物質同時提取和分餾藻類產(chǎn)物。在本發(fā)明的一個實施方案中，提供了脫水藻類并從其再循環(huán)水的方法。在本發(fā)明的另外實施方案中，脫水濕藻類細胞培養(yǎng)物的方法包括使用燒結的金屬管濾器去除藻類細胞培養(yǎng)物中的液體的至少一部分以獲得具有比所述藻類細胞培養(yǎng)物低的液體含量的濕藻類生物質級分，并再循環(huán)從所述藻類細胞培養(yǎng)物去除的液體的至少一部分用于不同的藻類細胞培養(yǎng)物中。該方法還包括向所述濕藻類生物質級分加入水可混溶溶劑組并等待一定的時間量以允許所述藻類生物質級分的藻類細胞聚集。該方法還包括分離所述聚集的藻類細胞的至少一部分與所述溶劑組的至少一部分和所述濕藻類生物質級分的液體從而產(chǎn)生脫水的藻類生物質。在本發(fā)明的又另一實施方案中，脫水濕藻類細胞培養(yǎng)物的方法包括使用膜、離心、燒結的金屬管、溶氣浮選和絮凝中的至少一種去除藻類細胞培養(yǎng)物中液體的至少一部分以獲得具有比所述藻類細胞培養(yǎng)物低的液體含量的濕藻類生物質級分，并再循環(huán)從所述藻類細胞培養(yǎng)物去除的液體的至少一部分用于不同的藻類細胞培養(yǎng)物中。該方法還包括向所述濕藻類生物質級分加入水可混溶溶劑組并等待一定的時間量以允許所述藻類生物質級分的藻類細胞聚集。該方法還包括分離所述聚集的藻類細胞的至少一部分與所述溶劑組的至少一部分和所述濕藻類生物質級分的液體從而產(chǎn)生脫水的藻類生物質。在本發(fā)明的又另外實施方案中，脫水濕藻類細胞培養(yǎng)物的方法包括去除濕藻類細胞培養(yǎng)物中的液體的至少一部分以獲得具有比所述藻類細胞培養(yǎng)物低的液體含量的濕藻類生物質級分，并向所述濕藻類生物質級分加入包含一種或多種溶劑的第一水可混溶溶劑組。該方法還包括從所述濕藻類生物質級分與水可混溶溶劑組的混合物產(chǎn)生大致上液相和大致上固相，并分離所述大致上固相的至少一部分。該方法還包括向所述大致上固相的分離部分加入包含一種或多種溶劑的第二水可混溶溶劑組，并通過沉淀或浮選藻類固體分離所述大致上固相與第二水可混溶溶劑組的混合物的藻類固體的至少一部分。該方法還包括再循環(huán)所述第一水可混溶溶劑組和第二水可混溶溶劑組的至少之一的至少一部分至隨后的藻類細胞培養(yǎng)物脫水工藝。附圖簡述圖IA是根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實施方案的一種方法中包括的步驟的流程圖?！DIB是根據(jù)本公開內(nèi)容的脫水工藝的示例性實施方案的示意圖。圖2是根據(jù)本公開內(nèi)容的提取系統(tǒng)的示例性實施方案的示意圖。圖3是顯示使用包括完全極性范圍的一系列溶劑對凍干的藻類生物質的Sohxlet提取的比較圖，顯示最大非破壞性藻油提取效力和極性對極性脂質和非極性脂質提取的影響。圖4A&B是顯示以三種不同溫度使用甲醇和石油醚的兩步溶劑提取工藝中的中性脂質⑷純度和⑶回收率的圖示。圖5A&B是顯示以三種不同溫度使用甲醇水溶液和石油醚的兩步溶劑提取工藝中的中性脂質(A)純度和(B)回收率的圖。圖6是顯示以三種不同溫度使用甲醇水溶液和石油醚的兩步溶劑提取工藝中的脂質回收率的圖。圖7是顯示溶劑與固體生物質的比例對脂質回收率的影響的圖。圖8是顯示甲醇水溶液的單步提取回收中不同提取水溶液對干燥生物質的效力的圖。圖9是顯示多步甲醇提取對累積總脂質產(chǎn)率和中性脂質純度的影響的圖。

圖10是顯示使用濕生物質和乙醇的脂質累積回收率的圖。圖11是顯示比較微波輔助提取與常規(guī)提取系統(tǒng)的提取時間的圖。圖12A是根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實施方案的方法中包括的步驟的流程圖，其并入了蛋白提取步驟。圖12A中的所有單位是磅。圖12B是根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性提取工藝中包括的步驟的流程圖。圖13是描述本發(fā)明的實施方案之一的流程圖和質量平衡圖，其中經(jīng)由提取和分餾加工1000磅的藻類生物質以從該藻類生物質分離中性脂質、極性脂質和蛋白。圖14是描述本發(fā)明的實施方案之一的流程圖，其中可以加工藻類團塊以形成多種產(chǎn)物。圖15是描述本發(fā)明的實施方案之一的流程圖，其中加工藻類中性脂質以形成多種產(chǎn)物。
圖16是描述本發(fā)明的實施方案之一的流程圖，其中加工藻類中性脂質來形成燃料產(chǎn)品。圖17是描述本發(fā)明的實施方案之一的流程圖，其中從淡水藻類生物質選擇性提取藻類蛋白。圖18是描述本發(fā)明的實施方案之一的流程圖，其中從鹽水藻類生物質選擇性提取藻類蛋白。圖19是描述本發(fā)明的實施方案之一的流程圖，其中從鹽水或淡水藻類生物質提取所選的藻類蛋白。圖20是描述本發(fā)明的實施方案之一的流程圖，其中從鹽水或淡水藻類生物質提取所選的藻類蛋白。圖21是顯示使用本文公開的方法提取之前和之后的柵藻屬(Scenedescemus SP.)細胞的照片。細胞在提取之前和之后都是大致上完整的。詳述本文使用的術語“管道”或其任何變化形式，包括可經(jīng)由其輸送流體的任何結構。管道的非限制性實例包括管子、配管、管槽或其他封閉結構。本文使用的術語“儲器(reservoir) ”或其任何變化形式，包括能夠保持流體的任何實體結構。儲器的非限制性實例包括池塘、罐、湖、桶或其他類似結構。本文使用的術語“約”或“大約”定義為由本領域技術人員理解的接近，在一個非限制性實施方案中該術語定義為在10%內(nèi)、優(yōu)選地在5%內(nèi)、更優(yōu)選地在1%內(nèi)、和最優(yōu)選地在O. 5%內(nèi)。本文使用的術語“抑制”或“減少”或這些術語的任何變化形式，包括為實現(xiàn)期望結果的任何可測量的降低或完全抑制。本文使用的術語“有效”是指足以實現(xiàn)期望的、預料的或預期的結果。詞語“一(a) ”或“一 (an) ”在本文當聯(lián)合術語“包括”使用時可表示“一個(one) ”，但其也與“一個或多個”、“至少一個”和“一個或多于一個”的含義一致。本文使用的術語“或”是指“和/或”，除非明確地指出是僅指備選項或備選項是互斥的，盡管公開內(nèi)容支持僅指備選項和“和/或”的定義。本文使用的術語“濕”用于表示包含約50%至約99. 9%含水量。含水量可以是胞內(nèi)或胞外的。本文使用的術語“溶劑組”用于指包含一種或多種溶劑的組合物。這些溶劑可以是兩親的(還稱為兩性的或略微非極性的)、親水或疏水的。在一些實施方案中，這些溶劑是水可混溶的，在其他實施方案中，它們是水中不可混溶的?？捎糜趯嵺`本發(fā)明方法的溶劑的非限制性實例包括甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、乙酸乙酯、和乙腈、烷烴類(己烷、戊烷、庚烷、辛烷)、酯類(乙酸乙酯、乙酸丁酯)、酮類(甲基乙基酮(MEK)、甲基異丁基酮(MIBK))、芳族化合物(甲苯、苯、環(huán)己烷、四氫呋喃)、齒代烷(氯仿、三氯乙烯)、醚類(二乙醚)、和混合物(柴油、噴氣燃料、汽油)。本文使用的術語“油”包括包含中性脂質和極性脂質的組合物。本文使用的術語“藻油(algae oil)”和“藻油(algal oil)”可互換地使用。
本文使用的術語“擴散物”或“滲透物〃可以指已經(jīng)經(jīng)過分離裝置(包括但不限于濾器或膜)的材料。本文使用的術語“滯留物”可以指在擴散物已經(jīng)經(jīng)過分離裝置后剩余的材料。本文使用的詞語“包含”(和包含的任何形式諸如“comprise”和“comprises”)、“具有”(和具有的任何形式諸如“have”和“has”)、“包括”(和包括的任何形式諸如“ includes”和“ include”)、或“含有”(和含有的任何形式諸如“contains”和“contain”)是封閉式或開放式的，不排除另外的、未提及的元素或方法步驟。 本文使用的術語“極性脂質”或其任何變化形式包括但不限于，磷脂和糖脂。本文使用的術語“中性脂質”或其任何變化形式包括但不限于，甘油三酯、甘油二酯、甘油單酯、類胡蘿卜素、蠟、固醇類。 本文使用的術語“固相”是指通常較為固態(tài)的材料的集合，不意為表示該相中的所有材料是固態(tài)。因此，具有實質量的固體同時保留一些液體的相被這一術語的定義涵蓋。同時，本文使用的術語“液相”是指通常較為液態(tài)的材料的集合，且這樣的集合可包括固體材料。本文使用的術語“生物柴油”是指來源于藻類的脂肪酸的甲酯或乙酯。本文使用的術語“營養(yǎng)品”是指提供健康和/或醫(yī)學益處的食物。非限制性實例包括類胡蘿卜素、胡蘿卜烯類、葉黃素諸如玉米黃質、蝦青素和葉黃質。本文使用的術語“生物燃料”是指來源于生物來源的燃料。非限制性實例包括生物柴油、噴氣燃料、柴油、調(diào)合用噴氣燃料(jet fuel blend stock)和調(diào)合用柴油(dieselblend stock)。本文聯(lián)合極性脂質使用的術語“雜質”是指與目標產(chǎn)物共提取或與目標產(chǎn)物具有相同特性的目標產(chǎn)物以外的所有成分。本文聯(lián)合極性脂質使用的術語“潤滑劑”是指加氫處理的藻類脂質諸如C16-C20
烷烴類。本文聯(lián)合極性脂質使用的術語“去垢劑”是指糖脂、磷脂及其衍生物。本文聯(lián)合極性脂質使用的術語“食品添加劑”是指大豆卵磷脂替代品或來源于藻類的磷脂。本文使用的術語“非甘油物質”是指與甘油級分分離的任何雜質。進一步的清除步驟將去除存在的大多數(shù)以產(chǎn)生藥品級甘油。本文使用的術語“不飽和脂肪酸”是指具有至少一個碳雙鍵的脂肪酸。不飽和脂肪酸的非限制性實例包括棕櫚油酸、十七酸、硬脂酸、油酸、十八碳烯酸、亞油酸、Y-亞油酸、α亞油酸、花生酸、二十碳烯酸、高Y亞油酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸、二十二碳酸、二十二碳二烯酸、二^^一碳五烯酸、二十二碳四烯酸。主鏈中具有20或更多個碳原子的脂肪酸一般稱為“長鏈脂肪酸”。主鏈中具有19或更少個碳原子的脂肪酸一般稱為“短鏈脂肪酸”。不飽和長鏈脂肪酸包括但不限于，ω-3脂肪酸、ω-6脂肪酸和ω-9脂肪酸。本文使用的術語“ ω-3脂肪酸”是指，但不限于表I中列出的脂肪酸。表I
權利要求
1.一種脫水濕藻類細胞培養(yǎng)物的方法，所述方法包括 a.使用燒結的金屬管濾器去除藻類細胞培養(yǎng)物中的液體的至少一部分以獲得具有比所述藻類細胞培養(yǎng)物低的液體含量的濕藻類生物質級分； b.再循環(huán)從所述藻類細胞培養(yǎng)物去除的液體的至少一部分用于不同的藻類細胞培養(yǎng)物中； c.向所述濕藻類生物質級分加入水可混溶溶劑組并等待一定的時間量以允許所述藻類生物質級分的藻類細胞聚集；和 d.分離聚集的藻類細胞的至少一部分與所述溶劑組的至少一部分和所述濕藻類生物質級分的液體從而產(chǎn)生脫水的藻類生物質。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述脫水的藻類生物質是藻類糊或藻類塊。
3.如權利要求I所述的方法,其中所述水可混溶溶劑組的密度比水低或高至少約10%。
4.如權利要求I所述的方法，其中所述溶劑組包括二醇、甘油、丙酮、乙腈和醇類的一種或多種。
5.如權利要求I所述的方法，其中所述藻類細胞不被加入所述水可混溶溶劑組而溶解。
6.一種脫水濕藻類細胞培養(yǎng)物的方法，所述方法包括 a.使用膜、離心、燒結的金屬管、溶氣浮選和絮凝中的至少一種去除藻類細胞培養(yǎng)物中液體的至少一部分以獲得具有比所述藻類細胞培養(yǎng)物低的液體含量的濕藻類生物質級分； b.再循環(huán)從所述藻類細胞培養(yǎng)物去除的液體的至少一部分用于不同的藻類細胞培養(yǎng)物中； c.向所述濕藻類生物質級分加入水可混溶溶劑組并等待一定的時間量以允許所述藻類生物質級分的藻類細胞聚集；和 d.分離所述聚集的藻類細胞的至少一部分與所述溶劑組的至少一部分和所述濕藻類生物質級分的液體從而產(chǎn)生脫水的藻類生物質。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述脫水的藻類生物質是藻類糊或藻類塊。
8.如權利要求6所述的方法，其中所述水可混溶溶劑組的密度比水低或高至少約10%。
9.如權利要求6所述的方法，其中所述溶劑組包括二醇、甘油、丙酮、乙腈和醇類的一種或多種。
10.如權利要求6所述的方法，其中所述藻類細胞不被加入所述水可混溶溶劑組而溶解。
11.一種脫水濕藻類細胞培養(yǎng)物的方法，所述方法包括 a.去除濕藻類細胞培養(yǎng)物中的液體的至少一部分以獲得具有比所述藻類細胞培養(yǎng)物低的液體含量的濕藻類生物質級分； b.向所述濕藻類生物質級分加入包含一種或多種溶劑的第一水可混溶溶劑組； c.從所述濕藻類生物質級分與水可混溶溶劑組的混合物產(chǎn)生大致上液相和大致上固相； d.分離所述大致上固相的至少一部分； e.向所述大致上固相的分離部分加入包含一種或多種溶劑的第二水可混溶溶劑組；f.通過沉淀或浮選所述藻類固體分離所述大致上固相與第二水可混溶溶劑組的混合物的藻類固體的至少一部分；和 g.再循環(huán)所述第一水可混溶溶劑組和第二水可混溶溶劑組的至少之一的至少一部分至隨后的藻類細胞培養(yǎng)物脫水工藝。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述脫水的藻類生物質是藻類糊或藻類塊。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述水可混溶溶劑組的密度比水低或高至少約10%。
14.如權利要求11所述的方法，其中所述第一水可混溶溶劑組和所述第二水可混溶溶劑組的至少之一包括醇類和甘油的至少一種。
15.如權利要求11所述的方法，其中所述藻類細胞不被加入所述第一水可混溶溶劑組或所述第二水可混溶溶劑組而溶解。
全文摘要
提供了一種脫水藻類并從其中再循環(huán)水的方法。脫水濕藻類細胞培養(yǎng)物的方法包括從藻類細胞培養(yǎng)物去除液體以獲得具有比藻類細胞培養(yǎng)物低的液體含量的濕藻類生物質。從藻類細胞培養(yǎng)物去除的液體的至少一部分被再循環(huán)用于不同的藻類細胞培養(yǎng)物中。該方法包括向濕藻類生物質加入水可混溶溶劑組并等待足夠時間量以允許藻類生物質的藻類細胞聚集并分離聚集的藻類細胞的至少一部分與溶劑組的至少一部分和濕藻類生物質的液體從而產(chǎn)生脫水的藻類生物質。脫水的藻類生物質可用于產(chǎn)生藻類產(chǎn)物，諸如生物燃料和營養(yǎng)品。
文檔編號A23J1/00GK102985528SQ201180017848
公開日2013年3月20日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權日2010年4月6日
發(fā)明者艾尼科特·凱萊 申請人:赫里開發(fā)公司